Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zur Mikrowellen-Spektro¬ skopie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Meßzellen der bekannten Anordnungen bestehen im wesent¬ lichen aus einem meist rechteckförmigen Hohlleiter, in den ein gesonderte Starkelektrode zur Stark-Effekt-Modulation einge¬ bracht ist. Im allgemeinen ist die Meßzelle, durch welche die Mikrowellen möglichst reflexionsfrei laufen sollen, über einen Meter, häufig mehrere Meter lang. Das Meßgas wird über einen Einlaßstutzen an einem Ende eingespeist und über einen Ausla߬ stutzen am anderen Ende entnommen. Der letztere muß groß dimen¬ sioniert sein; dies hat den Nachteil, daß er für die Mikro- wellen eine Störstelle bildet, an der Reflexionen auftreten können. Es wurde auch vorgeschlagen, als Meßzelle einen Hohl¬ raum-Resonator zu verwenden. Eine solche Meßzelle kann ver¬ gleichsweise kurz sein, hat aber den Nachteil, daß die Reso¬ nanzfrequenz auf die Rotationsfrequenz der zu untersuchenden Moleküle abgestimmt sein muß, so daß mit einer Meßzelle nur eine einzelne Molekülsorte untersucht werden kann, oder die Meßzelle muß mit einer aufwendigen mechanischen Konstruktion i einem weiten Frequenzbereich abstimmbar sein. Wegen dieses Nachteils werden Hohlraum-Resonatoren nur selten als Meßzellen verwendet, und man gibt den Meßzellen mit durchlaufenden Mikro wellen den Vorzug.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art z schaffen, die für quantitative Messungen von Gaskonzentratione auch in komplexen Gasgemischen für industrielle Anwendungen ge eignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch den Reflektor wird die wirksame Länge der Zelle ver¬ doppelt bzw. kann ihre Länge bei gleicher Empfindlichkeit halbiert werden; ihre Konstruktion ist daher einfacher und robuster als die der bekannten Zellen; sie ist daher für den industriellen Einsatz geeigneter. Die Leistungsverteilung entlang der Längsachse ist etwa konstant, da die Amplituden¬ abnahme der hinlaufenden Mikrowelle durch die Abnahme der rück¬ laufenden Welle kompensiert wird. Zweckmäßig werden die Mikro¬ wellen über einen Zirkulator eingespeist, der die reflektier- ten, aus der Meßzelle austretenden Mikrowellen einem Detektor zuleitet.

Vorteilhaft ist der Reflektor siebartig ausgebildet, und das Meßgas wird durch den Reflektor großflächig abgesaugt. Dadurch wird ein nur geringer Druckabfall entlang der Meßzelle bzw. eine kurze Austauschzeit des Meßgases und damit kurze Ansprech¬ zeiten erzielt. Es gibt keinen Auslaßstutzen, der die Mikro¬ welle stört und zu Reflexionen führt.

Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erzielen, daß die Meßzelle aus vier ihre Längsseiten bildenden, gegeneinander isolierten Platten gebildet ist und daß zur Erzeugung des Stark¬ feldes an ein Paar gegenüberliegender Platten eine Spannungs¬ quelle angeschlossen ist. Eine solche Meßzelle enthält keine gesonderte Starkelektrode, die mit ihrer Halterung für ver¬ schiedene Störungen der bekannten Anordnungen verantwortlich ist. Ihre Herstellung ist vergleichsweise einfach, da nur vier Platten mit den Isolierungen zusammenzufügen sind. Ihr ein¬ facher Aufbau ergibt eine gute Langzeitstabilität und Robust- heit. Sie kann so aufgebaut sein, daß sie zur Reinigung leicht auseinandergenommen und wieder zusammengebaut werden kann. Wegen der fehlenden Starkelektrode ist die dem Meßgas ausge¬ setzte Oberfläche klein im Vergleich zu den bekannten Meßzel¬ len, so daß dementsprechend die Adsorption von Gasen geringer und die Ansprechzeiten bei Veränderungen des Meßgases ("Memory- Effekt") kürzer sind. Das Mikrowellenfeld wird von keiner Starkelektrode beeinflußt, und das Starkfeld selbst ist Im wesentlichen homogen. Falls die Innenflächen der Zelle, z. B.

wegen korrosiver Meßgase, beschichtet werden müssen, kann dies ohne weiteres geschehen. Auch kann durch Vergolden der Zellen¬ innenwände der Memory-Effekt weiter verringert werden. Der Zellenquerschnitt kann dem gewünschten Mode der Mikrowellen angepaßt werden. Er kann z. B. in einer oder beiden Richtungen überdimensioniert oder auch dem Grundmode angepaßt sein.

Anhand der Zeichnung werden im folgenden weitere Ausgestal¬ tungen der Erfindung und Vorteile näher beschrieben und er- läutert.

Es zeigen

Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Figur 2 die Anordnung einer neuen, im Ausführungsbeispiel nach

Figur 1 eingesetzten Meßzelle in einer Prinzipskizze und Figur 3 Einzelheiten der Meßzelle nach Figur 2.

In Figur 1 ist mit GL eine Gasleitung zum Transport eines Gas¬ gemisches bezeichnet, das eine oder mehrere Komponenten ent¬ hält, deren Konzentration gemessen werden soll. Hierzu wird ei Teil des Gasgemisches abgezweigt, über einen Einlaßstutzen ES durch eine Meßzelle MZ geleitet und in die Gasleitung GL von einer Vakuumpumpe VP zurückgepumpt. Die Meßzelle ist mit einem Gehäuse GH ummantelt. Ein Oszillator OS, dessen Frequenz auf eine Absorptionsfrequenz der zu messenden Gaskomponente stabi¬ lisiert ist oder periodisch ein die Frequenz des Absorptions¬ maximums enthaltendes Frequenzintervall durchläuft, erzeugt Mikrowellen, z. B. im Frequenzbereich von 20 bis 40 GHz, die über einen Hohlleiter, in den ein Zirkulator ZK eingebaut ist, in die Meßzelle MZ, die ebenfalls als Hohlleiter ausgebildet ist, eingespeist werden. Nach Durchlaufen der Meßzelle MZ wer¬ den sie an einem Reflektor RF reflektiert und nach ihrem Aus- tritt aus der Meßzelle MZ vom Zirkulator ZK einem Detektor DT zugeführt, an den ein Vorverstärker VV angeschlossen ist. In der Meßzelle MZ ist dem Mikrowellenfeld ein niederfrequentes Starkfeld von z. B. etwa 30 kHz, das mit einer von einem Stark

generator SG gelieferten Spannung erzeugt wird, überlagert, so daß gemäß dem Starkeffekt die Absorptionslinie der zu messenden Gaskomponente in Abhängigkeit von Amplitude und Frequenz des Starkfeldes verschoben und aufgespalten wird und das Ausgangs- signal des Detektors entsprechend moduliert wird. Ein schmal- bandiger Vorverstärker VV verstärkt dessen Ausgangssignal und gibt es an einen vom Starkgenerator SG gesteuerten phasen¬ abhängigen Gleichrichter oder Lock-in-Verstärker LV weiter. Dessen Ausgangssignal wird an einem Ausgang A als Meßsignal abgegeben.

Für den industriellen Einsatz ist es vorteilhaft, die Me߬ zelle MZ zu ummanteln. Figur 2 zeigt den Aufbau der Ummante- lung und den Einbau der Meßzelle. Die Ummantelung besteht aus einem vorzugsweise rohrförmigen inneren Gehäuse GHl und einem äußeren GH2. Das innere Gehäuse GHl schließt den Innenraum, in dem sich die Meßzelle MZ befindet, vakuumdicht gegen den Zwi¬ schenraum zwischen dem inneren und äußeren Gehäuse ab. Demgemäß sind gasdichte Durchführungen für den Meßgaseinlaß, den -auslaß und die Mikrowelle vorgesehen. Die Mikrowellen werden über einen sogenannten Taper TP zugeführt, mit dem der Querschnitt der Meßzelle an den des Hohlleiters, über den die Mikrowellen zugeführt werden, angepaßt ist. Im Ausführungsbeispiel ist nämlich die Meßzelle bezüglich der Wellenlänge der Mikrowellen überdimensioniert. Dies hat den Vorteil, daß ihre Dämpfung ge¬ ringer ist, breitbandige Bauteile verwendet und gleichförmige Starkfelder erzielt werden können. Außerdem wirkt die Uber- dimensionierung der Sättigung der Moleküle im angeregten Zu¬ stand entgegen. Die Meßzelle ist gegen den die Mikrowellen zuführenden Hohlleiter gasdicht verschlossen, im Ausführungs¬ beispiel sind hierzu zwei Folien FL1, FL2 vorhanden, die an den beiden Enden des Tapers TP angeordnet sind. Die Folien bestehen bevorzugt aus Capton oder Teflon. Im Ausführungsbeispiel ist die Folie FL2 in ein spezielles Gaseinlaßstück integriert, an dem sich der Einlaßstutzen ES befindet.

Der Reflektor RF besteht aus einem engmaschigen Metallnetz, durch welches das Meßgas kontinuierlich über den vollen Meßzel-

len-Querschnitt von der Vakuumpumpe VP abgepumpt wird. Er ist zumindest gegen die die Starkspannung führenden Platten PL3, PL4 elektrisch isoliert. Eine entsprechende Isolierung ist auch am anderen Zellenende vorhanden. Der Aufbau der Zelle ermög- licht einen niedrigen Betriebsdruck, von z. B. 0,01 mbar, so daß eine Verbreiterung der Absorptionslinien infolge von Stößen zwischen den Moleküle untereinander vernachlässigt werden kann. In vielen Fällen können Sättigungs- und Verbreiterungsprobleme durch Einsatz der neuen Meßzelle überwunden werden, so daß quantitative Konzentrationsmessungen möglich werden, indem das rauscharme Maximum der Absorptionslinien ausgewertet wird. Außerdem sind die Ex-Schutz-Vorschriften bei einem Betriebs¬ druck von 0,01 mbar oder weniger erfüllt.

Das Absaugen des Meßgases über den vollen Querschnitt bewirkt, daß die Verweilzeit des Meßgases in der Zelle kurz ist und die Anordnung eine kurze Ansprechzeit bei Veränderung des Meßgases aufweist. In der Absaugleitung befindet sich eine Öffnung BP, durch die der Innenraum des inneren Gehäuses GHl evakuiert wird und innerhalb und außerhalb der Meßzelle etwa der gleiche Druck herrscht. Eine etwaige Undichtigkeit der Meßzelle hat daher nur einen geringen Einfluß auf das Meßergebnis, da das die Meßzelle umgebende Gas nicht in diese eindringen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Raum zwischen den beiden Folien FL1, FL2 mit dem Innenraum des Gehäuses GHl ver¬ bunden, so daß auch eine Beschädigung der Folie FL2 das Me߬ ergebnis nicht beeinflußt. Ein Leck des inneren Gehäuses GHl oder des Tapers TP gegen die Außenluft kann das Meßergebnis nur dann beeinflussen, wenn gleichzeitig ein Leck in der Meßzelle auftritt. Im allgemeinen bewirkt aber ein Leck gegen die Umge¬ bungsluft einen Druckanstieg im Gehäuse GHl, der leicht fest¬ gestellt werden kann und auf eine Störung hinweist.

Das innere Gehäuse GHl ist von Heizdrähten HD umgeben, mit deren Hilfe die Meßzelle auf die jeweils gewünschte Meßtempe¬ ratur gebracht werden kann, wodurch nicht nur definierte Me߬ verhältnisse aufrechterhalten, sondern auch etwaige Kondensa-

tionen aus dem Meßgas verhindert werden können. Der Zwischen¬ raum zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuse GHl, GH2 ist zweckmäßig mit einem Isoliermaterial gefüllt.

Figur 3 zeigt den Aufbau der Meßzelle. Sie besteht im wesent¬ lichen aus vier einfach herzustellenden Platten PLl, PL2, PL3, PL4, von denen zumindest die inneren Oberflächen elektrisch leitend sind und die mit isolierenden Bügeln, von denen nur ein Paar BG1, BG2 dargestellt ist, zusammengehalten werden. Eine geeignete Länge der Meßzelle beträgt z. B. 50 cm. Die neue Me߬ zelle kann mit so kleinem Querschnitt hergestellt werden, daß auch bei hohen Frequenzen von mehr als 30 GHz nur der Grund¬ mode übertragen wird. Zum Schutz gegen aggressive Gase können die Platten auf der Innenseite mit einer korrosionsbeständigen Schicht, z. B. aus Gold oder Teflon, versehen sein. Zumindest in dem Bereich, in dem die Platten aneinanderstoßen, sind sie gegenseitig elektrisch isoliert, z. B. mit Teflon-Folien IS1, IS2, IS3, IS4. Es können auch eloxierte Aluminium-Platten ver¬ wendet werden; eine zusätzliche Isolierung kann auch dann vor- teilhaft sein. Die Dicke der Isolierung ist so bemessen, daß sie für die niederfrequente Starkspannung einen sehr hohen kapazitiven Widerstand darstellt, während die Mikrowellenströme als Verschiebeströme praktisch ungedämpft über die Kanten flie¬ ßen. Das Plattenpaar PLl, PL2 liegt im Ausführungsbeispiel auf Massepotential. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Stark¬ spannung wahlweise dem einen oder dem anderen Plattenpaar zu¬ zuführen, so daß das Starkfeld parallel oder senkrecht zum elektrischen Vektor des Mikrowellenfeldes ausgerichtet werden kann. Die Platten PLl, PL2 sind entlang ihrer Längskanten ge- stuft; in die Stufen sind die Platten PL3, PL4 gelegt. Es wird dadurch nicht nur die Montage einfach, sondern es ergeben sich auch sehr gute Transmissionseigenschaften des Mikrowellen¬ feldes, auch bei hohen Frequenzen von mehr als 30 GHz.

Die zusammengebauten Platten bilden einen Rechteck-Hohlleiter für Millimeter- oder Submillimeterwellen. Das Starkfeld wird dadurch erzeugt, daß an Leitungen SL1, SL2 eine Spannung'von z. B. 1000 V an die Platten PL3, PL4 gelegt wird, so daß

zwischen diesen in deren wichtigen mittleren Bereich ein nahe¬ zu homogenes elektrisches Feld entsteht. Da der Starkeffekt proportional zum Quadrat des Starkfeldes anwächst, also unab¬ hängig von dessen Richtung, ist der Starkgenerator so ausge- legt, daß an einer Platte, z. B. der Platte PL3, eine stets positive veränderliche Spannung und an der gegenüberliegenden Platte PL4 eine stets negative, bezüglich des Nullpotentials spiegelbildlich verlaufende Spannung liegt. Anders ausgedrückt liegt an der einen Platte eine positive Gleichspannung und an der anderen Platte eine gleich große negative Gleichspannung, wobei die Gleichspannungen mit um 180" gegeneinander verscho¬ benen Wechselspannungen moduliert sind, deren Amplituden gleich der Gleichspannung sind. Dem Betrage nach sind die beiden Span¬ nungen stets gleich und sie schwanken zwischen Null und dem doppelten Gleichspannungswert. Ein solcher Spannungsverlauf kann dadurch erreicht werden, daß _. zwei gleich große gegen- phasige Spannungen an zwei Sekundärwicklungen eines Transforma¬ tors mit je einer Diode auf Nullpotential geklemmt werden. Es ist dann auch sichergestellt, daß die Starkspannung im Minimum den Wert Null annimmt. Das Starkfeld kann senkrecht oder paral¬ lel zum elektrischen Vektor des Mikrowellenfeldes gerichtet sein. Ein einfacheres Aufspaltungsbild ergibt sich, wenn die beiden Felder senkrecht zueinander gerichtet sind, so daß dieser Fall für viele Anwendungen vorzuziehen ist.